復(fù)合材料防彈防爆方艙技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

何金迎，李曉燕，甄建軍，孫佳春，王小偉，陳 強(qiáng)，胡文閣

(1.山東非金屬材料研究所， 濟(jì)南 250031; 2.山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院, 濟(jì)南 250103)

防彈防爆方艙是一種具有特定強(qiáng)度、剛度、可以滿足不同防護(hù)等級(jí)，能夠最大限度的保障人員及設(shè)備安全，獨(dú)立可移動(dòng)的廂體工作間，可以采用多種運(yùn)輸方式并具備快速裝卸功能。它作為一種裝載體可以廣泛應(yīng)用于陸軍、海軍、空軍和武警等，具體涉及到武器裝備系統(tǒng)、指揮信息通訊、后勤保障系統(tǒng)和技術(shù)支援等方面[1]。隨著戰(zhàn)爭(zhēng)的現(xiàn)代化，對(duì)部隊(duì)的機(jī)動(dòng)性要求提高，機(jī)動(dòng)作業(yè)集成化車輛隨之得到快速發(fā)展，軍用防彈防爆方艙作為其組成部分也得到了各國(guó)軍方的高度重視，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)陸軍配備集裝化裝備的四分之一為方艙車輛。軍用方艙的雛形是美國(guó)最早在朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)中將作戰(zhàn)設(shè)備安裝在機(jī)動(dòng)車輛的集裝箱中，大大提高了作戰(zhàn)的機(jī)動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)了高效作戰(zhàn)，后來(lái)發(fā)展為鋁蒙皮夾芯大板。對(duì)于鋁蒙皮夾芯大板，由于本身的強(qiáng)度不夠，根本無(wú)法抵擋來(lái)自子彈的打擊和爆炸沖擊波、碎片的襲擊，很容易被擊穿和摧毀，不能有效保護(hù)方艙內(nèi)工作人員和設(shè)備。方艙被破壞，就會(huì)失去作戰(zhàn)功能。美軍早在20世紀(jì)90年代就提出了防彈防爆方艙的最低要求可承載超壓2.75×104Pa,可防7.62 mm步槍子彈以及40 g,速度為600 m/s彈片垂直擊穿[2]。

軍用方艙作為軍事設(shè)備的配套及后勤保障設(shè)備，在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)受到先進(jìn)武器的打擊威脅，它必須緊跟裝甲戰(zhàn)車的步伐，加快在輕型、高效防護(hù)方面的研究，以滿足未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的需求。圖1為車載軍用方艙[3]。

1 防彈防爆方艙發(fā)展現(xiàn)狀

方艙是一種“有一定防護(hù)能力的、可運(yùn)輸?shù)南涫焦ぷ鏖g，可為人員和裝備提供適宜的工作環(huán)境，便于實(shí)施多種方式載運(yùn)的獨(dú)立艙室。方艙經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其使用功能不斷增加，從最簡(jiǎn)單只能裝載一般的軍事裝備到目前使用范圍基本包含了廂式車的所有功能，并向更高的層次發(fā)展，包括：高屏蔽方艙、隱身方艙、防彈方艙、防爆方艙等[3]。

根據(jù)使用功能方倉(cāng)分為：電子類、機(jī)械類、電源類和其他類。

電子類方倉(cāng)主要有：雷達(dá)控制方艙、光電干擾方艙、偵察方艙、微波通信方艙、數(shù)據(jù)通信方艙干擾站方艙、指揮控制方艙、信息處理方艙、情報(bào)處理和信息采集方艙、圖像傳輸方艙、引導(dǎo)端方艙、中心站方艙、氣象方艙、機(jī)要方艙、演示方艙、監(jiān)控方艙、試驗(yàn)方艙、檢驗(yàn)方艙、測(cè)控方艙等；

機(jī)械類方艙主要有：艦船器材機(jī)動(dòng)保障方艙、油料裝備修理方艙、機(jī)動(dòng)站裝車方艙、飛機(jī)搶修方艙、檢測(cè)維修方艙、偵察車維修模擬訓(xùn)練方艙、野戰(zhàn)維修單元、機(jī)動(dòng)維修設(shè)備艙、雷達(dá)設(shè)備艙等；

電源類方艙主要有：24 kW站與車輛改裝方艙、12電站主機(jī)方艙、對(duì)空情報(bào)雷達(dá)配套電站方艙(單、雙機(jī)組)、75 kW電站方艙和其他類電站方艙等；

其他類方艙主要有：醫(yī)療衛(wèi)生方艙、戰(zhàn)役快速支援衛(wèi)勤保障系統(tǒng)方倉(cāng)、彈藥運(yùn)載方艙、通用氣源方艙、主、副食加工方艙、野戰(zhàn)炊事方艙、文化宣傳方艙、訓(xùn)練設(shè)備方艙、器材貯運(yùn)方艙、生活保障方艙、速凍冷藏方艙等。

目前，美國(guó)S-658型方艙[4]的大板采用環(huán)氧樹脂固化29層芳綸并層壓復(fù)合，厚6.35 cm，中間層為蜂窩狀板芯，內(nèi)層為鋁蒙皮，加強(qiáng)筋為芳綸和玻纖復(fù)配復(fù)合材料。該防彈防爆方艙可承受69 kPa超高壓，常規(guī)彈藥、武器的射擊、攻擊、防止破片洞穿，并可承受持續(xù)熱脈沖3S。

美國(guó)S-280型電子設(shè)備方艙[5]的大板采用49層芳綸層壓復(fù)合材料，環(huán)氧樹脂固化，中間層為鋁蜂窩狀板芯，厚度為3.2 mm，密度為130 kg/m3，該防彈防爆方艙可承受50 kPa超高壓，可抵御彈著速度600 m/s、重量40 g的破片洞穿和7.62 mm子彈的射擊。

采用ISO標(biāo)準(zhǔn)，6.1 m的德國(guó)“泰斯普瑞克”方艙[6]耐候性好(溫度范圍-32～50 ℃)可防7.64 mm×54 mm狙擊步槍子彈的射擊，射擊條件為射擊距離大于30 m，初速度為 890 m/s。

丹麥Composhield公司將防彈防爆材料永久安裝在方艙內(nèi)壁，研制的防彈防爆方艙性能如表1所示[7]。

表1

2 防彈防爆方艙防護(hù)材料發(fā)展現(xiàn)狀

目前用于防彈防爆的防護(hù)材料主要有防彈金屬板、陶瓷基復(fù)合材料、纖維復(fù)合材料、石墨復(fù)合材料，彈性體材料、防彈玻璃等。由于金屬材料的密度太大，合金材料價(jià)格較高，從而限制了其在防護(hù)裝甲上的應(yīng)用。采用先進(jìn)的防彈防爆材料，軍用方艙重量可大大減輕[9-10]。

2.1 陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷裝甲板是由增強(qiáng)玻纖作為襯板，將抗彈陶瓷粘結(jié)在襯板上而形成，常見(jiàn)的抗彈陶瓷類型有Al2O3、SiC、碳化硼、鋯剛玉、硼化鈦等及其復(fù)合材料，抗彈陶瓷具有硬度高、耐磨性好，防護(hù)等級(jí)高，可以抵抗穿甲彈，瑞典的CV9040步兵戰(zhàn)車采用陶瓷裝甲，可防14.5mm穿甲彈；瑞士的“皮蘭哈”Ⅱ裝甲人員輸送車陶瓷裝甲可防12.7mm穿甲彈[11]。動(dòng)能破甲彈的侵徹，其復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，在單著彈情況下抗彈性能好，缺點(diǎn)是陶瓷易碎，同一陶瓷片不能連續(xù)中彈，若在瓦片的結(jié)合處中彈，相連的幾塊陶瓷就會(huì)破壞，對(duì)于這種情況，可以采取縮小陶瓷的尺寸，增加厚度的措施，來(lái)提高邊緣粘合處的抗彈能力。厚度增大，陶瓷本身密度較大，整體重量增加，考慮到增重的限制，只能采取將抗彈性能更優(yōu)異的凱夫拉纖維(芳綸)或者其他高性能纖維襯板取代之前的玻纖襯板，從而大幅度提高整體抗彈性能，而陶瓷易碎的問(wèn)題有待進(jìn)一步解決。

2.2 纖維基復(fù)合材料

1) 玻纖復(fù)合材料

玻纖抗彈復(fù)合材料具有很高的抗拉強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，密度是鋁合金的0.7倍左右[12-13]。使用同一型號(hào)的子彈進(jìn)行測(cè)試，玻纖復(fù)合裝甲板和鋼進(jìn)行對(duì)比，前者的抗彈性能是后者的3倍多[14]，而缺點(diǎn)是相對(duì)其他抗彈纖維其密度最大，復(fù)合板受沖擊易碎，可以采取與其他高性能纖維進(jìn)行混雜復(fù)合，進(jìn)一步提高抗彈性能。

2) 芳綸復(fù)合材料

芳綸纖維(AF)又稱為凱夫拉纖維，其具有密度小(約為1.44 g/cm3)、抗拉強(qiáng)度高、斷裂伸長(zhǎng)率高，耐火耐熱、抗沖擊性強(qiáng)不易破碎，是一種應(yīng)用廣泛的抗彈防爆材料[15]。例如俄羅斯BTR-90型號(hào)裝甲車、美國(guó)M113A3型號(hào)兩棲裝甲車和瑞士CV90裝甲車均采用芳綸復(fù)合材料作為防護(hù)材料，它也是軍用方艙的首選材料，例如美國(guó)Craig公司研制的N-1080抗彈防爆方艙，其壁板、頂板和地板均采用芳綸層壓板。此外，該材料也可用于防彈衣和防彈頭盔的制作。

3) 超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)具有密度低、良好的動(dòng)能吸收性、超高強(qiáng)度、超高模量、抗吸濕性好、耐磨和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是繼芳綸之后新型第三代高性能抗彈纖維[16]。

Dyneema纖維由荷蘭DSM公司研發(fā)，密度是芳綸的三分之二，約為0.97 g/cm3，熔點(diǎn)相對(duì)低一些，UHMWPE制備的復(fù)合材料在同等面密度情況下，比芳綸復(fù)合材料的抗彈性能高約25%，在同等防護(hù)級(jí)別的情況下，UHMWPE增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制備的抗彈板相對(duì)于陶瓷/AF復(fù)合材料抗彈板減重30%～40%。相關(guān)老化實(shí)驗(yàn)表明，UHMWPE和AF經(jīng)過(guò)18個(gè)月戶外暴露，UHMWPE可保留70%的強(qiáng)度，AF僅保留30%的強(qiáng)度。

目前，德國(guó)“豹“2坦克和荷蘭輪式裝甲車的防彈板和襯層均采用了Dyneema纖維。UHMWPE成本較高，使用上受到了一定限制，可以使用特殊的加工工藝將防彈鋼板和纖維材料復(fù)合成板進(jìn)行使用。

4) 聚對(duì)苯撐苯并二噁唑纖維復(fù)合材料

聚對(duì)苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維是新一代裝甲防彈高性能纖維，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性好、絕熱性好、耐磨和蠕變低等特點(diǎn)，其強(qiáng)度、模量、阻燃耐熱性能遠(yuǎn)超過(guò)UHMWPE纖維和AF纖維，其中彈性模量大約是AF纖維的2倍，被稱為本世紀(jì)超級(jí)纖維[17]。最早是由東洋紡織公司研制并實(shí)現(xiàn)商品化。因其制備技術(shù)和價(jià)格的制約，作為裝甲防護(hù)材料其應(yīng)用還在研究階段。

2.3 彈性體材料

“輕質(zhì)高強(qiáng)”成為防彈材料探索的主要方向，彈性體材料也成為熱點(diǎn)[18]。當(dāng)彈性體材料受到高速子彈沖擊時(shí)，應(yīng)變速率約為105每秒，彈性體處于高頻作用下，動(dòng)態(tài)力學(xué)條件下，會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，吸收大量能量，最終起到防彈的目的。美國(guó)空軍在建筑物墻體中應(yīng)用了聚脲涂層，保證了爆炸后建筑物的完整性。美國(guó)海軍針對(duì)槍擊和炸彈的威脅，開(kāi)始采用聚脲涂層進(jìn)行防護(hù)[19]。美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)輪式戰(zhàn)車，在外鋼板上粘結(jié)的橡膠涂層，有效防止了子彈和爆炸的破壞[20]。

圖2為子彈沖擊橡膠/鋼板層壓板測(cè)試后的圖片，迎彈面由于彈性體玻璃化轉(zhuǎn)變的存在，玻璃態(tài)形式破壞留下的彈孔與子彈橫截面相匹配[21]。

2.4 防彈玻璃

防彈防爆方艙的觀察窗(采光處)，是防護(hù)最薄弱的地方，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、較高的工藝成本，是防護(hù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。防彈玻璃通常由數(shù)層有機(jī)玻璃和無(wú)機(jī)玻璃(普通和鋼化玻璃)通過(guò)膠片疊合而成，總厚度一般為20～50 mm，透光率高于70%，在等重的條件下，有機(jī)玻璃相對(duì)無(wú)機(jī)玻璃有更好的抗彈性能。其防彈機(jī)理是將彈丸的沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能和玻璃破碎后的表面能，缺點(diǎn)是防爆性能較差[22]。

從材料本身的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、易碎性、耐磨性、經(jīng)濟(jì)性等方面。對(duì)陶瓷、玻纖、芳綸、UHMWPE、PBO纖維進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表2[21]。

表2 防護(hù)材料性能對(duì)比

注：▲表示等級(jí)

通過(guò)性能對(duì)比可以看出，UHMWPE和PBO纖維綜合性能最佳，但成本高，處在探索階段，研制成本低、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、體積小的UHMWPE纖維復(fù)合材料成為軍用方艙的研制方向，目前，技術(shù)最成熟、性能最突出的為芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料。

3 防彈防爆方艙防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮防彈防爆方艙的防護(hù)力應(yīng)與結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量合理匹配，根據(jù)方艙所承受破壞威脅程度，先確定防護(hù)等級(jí)和防護(hù)材料，然后確定方艙結(jié)構(gòu)形式，與此同時(shí)必須確保電磁屏蔽、密封和保溫等功能[23-24]。國(guó)外防爆防彈方艙結(jié)構(gòu)形式分為兩種：整體式和模塊式附加[25-28]。

3.1 整體式結(jié)構(gòu)

整體式結(jié)構(gòu)是指方艙大板與防彈防爆層完全粘合在一起，這種結(jié)構(gòu)可以提高防彈防爆方艙整體防護(hù)性能，其中，方艙大板鋁蒙皮內(nèi)側(cè)粘接防彈防爆層稱為內(nèi)粘整體式結(jié)構(gòu)，方艙大板鋁蒙皮外側(cè)粘接防彈防爆層稱為外粘整體式結(jié)構(gòu)，其中，外粘式是整體式防彈防爆方艙典型的結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4[18-21]。

方艙大板一般采用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡成型和粘接壓制成型，整體結(jié)構(gòu)防彈防爆性能優(yōu)于模塊式附加結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，成本較高，損壞后難以修復(fù)。

3.2 模塊式附加結(jié)構(gòu)

美國(guó)在20世紀(jì)90年代展開(kāi)了模塊化附加通用防彈板的研制，該結(jié)構(gòu)具備易裝卸，輕便易運(yùn)輸，防彈防爆能力強(qiáng)等特點(diǎn)[28]。模塊附加結(jié)構(gòu)有前面板、夾芯層和后面板組成，前面板一般是由芳綸層壓板或者玻纖層壓板，或者是在前兩者的基礎(chǔ)上粘接抗彈陶瓷片等；夾芯結(jié)構(gòu)一般是非易碎的輕型材料，紙蜂窩是目前正在研制的最理想的材料[19]；后面板一般是芳綸層壓板。美軍采用防彈模塊組合披掛結(jié)構(gòu)，提高制式普通方艙防彈防爆性能，進(jìn)一步提高了整體防彈防爆性能。

該結(jié)構(gòu)通過(guò)披掛預(yù)先制備好的模塊化防彈防爆板到方艙上，對(duì)方艙內(nèi)人員和設(shè)備進(jìn)行防護(hù)，此結(jié)構(gòu)也稱為披掛式結(jié)構(gòu)[28-31]。其優(yōu)點(diǎn)主要是：(1)模塊化防護(hù)系統(tǒng)和方艙系統(tǒng)是分開(kāi)的，在不需要防彈時(shí)，可以拆卸，使用靈活，方便搬運(yùn)；(2)模塊化結(jié)構(gòu)可以為無(wú)防彈能力的方艙或成品方艙提供防護(hù)功能；(3)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的披掛防彈板，對(duì)于同一尺寸方艙可以實(shí)現(xiàn)通用和互換，若出現(xiàn)損壞，可以隨時(shí)拆卸更換，通用性好，方便維修，降低了生產(chǎn)成本。其缺點(diǎn)主要有：(1)模塊化結(jié)構(gòu)對(duì)方艙整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的加強(qiáng)幫助不大，履行防彈功能還可以，防爆能力欠佳；(2)方艙披掛防護(hù)板拆卸后，用于螺栓固定的螺孔需要保護(hù)處理，額外增加了保養(yǎng)成本[32]。

國(guó)外防彈防爆方艙大板主要采用4種結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)圖5可以看出，前2種結(jié)構(gòu)存在重量偏重的缺陷，但成型工藝相對(duì)簡(jiǎn)單；第3種結(jié)構(gòu)采用聚氨酯泡沫作為中間層，重量減輕，但防護(hù)強(qiáng)度降低，第4種結(jié)構(gòu)中間層采用芳綸或纖維增強(qiáng)硬泡沫，防護(hù)強(qiáng)度更高。第4種結(jié)構(gòu)形式綜合性能突出，但是成本高，成型工藝相對(duì)復(fù)雜[33]。

4 結(jié)論

通過(guò)分析對(duì)比防彈防爆方艙的主要防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)，為研制低成本、輕型、高效防護(hù)、高機(jī)動(dòng)性的防彈防爆方艙提供了技術(shù)支持，可以進(jìn)一步降低新型高性能纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)成本，滿足未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的需求。